高精度密煉機混煉溫度智能控制系統(tǒng)設計?

劉世超 王安敏 王金龍 趙 經(jīng)

（青島科技大學機電學院機械工程與自動化教研室 青島 266061）

1 引言

隨著混煉工藝的發(fā)展，密煉機設備正逐步朝著高精度，高度智能化的方向發(fā)展。密煉機內(nèi)部特定位置溫度的檢測和控制一直是密煉機工作的控制目標。因此如何實現(xiàn)密煉機的高精度溫度采集和高度智能化控制，一直是密煉機設備的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的密煉機溫度采集通常采用熱電偶，熱電偶的溫度采集溫度范圍在-200℃～2000℃范圍內(nèi)，通常都可以找到我們需要的熱電偶進行溫度檢測［2］。雖然熱電偶的溫度采集范圍廣，其在高溫區(qū)域溫度檢測的優(yōu)勢不可替代。但密煉機工作溫度檢測范圍通常在0～300℃之間，屬于低溫區(qū)，在低溫區(qū)熱敏電阻的溫度測量精度和響應速度遠高于熱電偶。PT100熱敏電阻廣泛應用在-200℃～850℃范圍內(nèi)的溫度檢測。PT100熱敏電阻阻值與所處環(huán)境溫度變化呈近似線性關(guān)系，具有信號靈敏度高，易于連續(xù)測量的優(yōu)點。因此在密煉機的特定部位預埋PT100熱敏電阻，以便對密煉機內(nèi)部的相關(guān)位置的溫度進行檢測。本文創(chuàng)新性的提出基于三線制PT100型熱敏電阻進行溫度采集的密煉機溫控系統(tǒng)，經(jīng)過模糊自適應PID控制算法實現(xiàn)對密煉機混煉工作的有效控制［8］。

2 密煉機溫控系統(tǒng)方案設計

在混煉過程中，影響煉膠溫度的主要因素主要包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速r、冷卻水溫度ts、上頂栓壓力p、填充系數(shù)、工藝配方等。時間溫度控制法是當前比較通用的密煉機控制方案，在對膠料的混煉過程中，溫度控制是一方面，混煉時間的長短對最終生產(chǎn)的膠片的性能也有重要影響。為了實現(xiàn)混煉機溫度的有效控制，提高膠料的穩(wěn)定性，通?？刂频膮?shù)主要包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速r、冷卻水溫度ts和上頂栓壓力p。為實現(xiàn)混煉膠溫度的有效控制，設計了圖1所示的高精度密煉機溫控方案。

圖1 密煉機溫控系統(tǒng)總體方案

如圖2所示，因為轉(zhuǎn)子對膠料進行剪切和擠壓會產(chǎn)生大量的熱量，通常轉(zhuǎn)速越高，混煉膠的溫度也會越高［3］。冷卻水溫度的控制是實現(xiàn)密煉機機體降溫的重要手段，在一定溫度范圍內(nèi)，如圖3所示，隨著冷卻水溫的提高，混煉膠溫度逐漸升高，因此冷卻水溫度根據(jù)混煉要求控制在一定范圍內(nèi)。通過圖4可知在上頂栓壓力過大的情況下混煉膠溫度迅速上升，上頂栓壓力過大不僅會增加密煉機的功率消耗，而且很容易造成焦燒，因此，密煉機上頂栓壓力要始終保持在一定壓力范圍內(nèi)，通常設置在0.3Mpa～0.6Mpa，其作用首先是協(xié)調(diào)溫度控制，其次是保持膠料的盈余度，防止出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，提高膠料的物理機械性能，促進橡膠與炭黑的混合，預防凝膠的出現(xiàn)。通常轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和上頂栓的壓力是影響混煉溫度的主要因素，冷卻水循環(huán)起到調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度的作用［4］。

圖2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對膠料溫度的影響

圖3 冷卻水溫度對膠料溫度的影響

圖4 上頂栓壓力對膠料溫度的影響

3 密煉機控制系統(tǒng)總體方案設計

該控制系統(tǒng)選擇了以意法半導體公司生產(chǎn)的32位STM32F103為控制核心，PT100熱電阻溫度傳感器感應來自冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的溫度ts、轉(zhuǎn)子溫度tr和卸料門處混煉膠的溫度th，采集的模擬溫度差分信號經(jīng)過ADS1248進行A/D轉(zhuǎn)換，送入主控制器MCU。根據(jù)煉膠種類的實際需要，通過預設方案控制冷卻水溫度ts、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速r、上頂栓的壓力p，主控制器通過程序判斷密煉機各處的溫度與壓力是否滿足混煉要求，最終實現(xiàn)混煉的最優(yōu)化控制，密煉機的溫控原理圖如圖5所示。

圖5 密煉機溫控原理圖

3.1 PT100測溫原理

PT100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要由熱敏元件、MgO、引線和套裝組成，如圖6所示。為了提高測量精度，其中引線的截面、長度、材質(zhì)都相同。根據(jù)密煉機應用環(huán)境的特殊性，選擇了鎧裝熱敏電阻，在熱敏電阻與套裝之間選擇了導熱性能良好的MgO作為介質(zhì)，以更好地保護熱敏電阻［1］。

圖6 PT100內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

PT100熱敏電阻可在-200℃～850℃工作，其在0℃以上和0℃以下的計算方法是不一樣的，密煉機的工作溫度在0℃～300℃范圍內(nèi)，所以只對PT100鉑熱電阻在0℃～850℃工況進行研究。在絕對0℃下PT100的電阻阻值為100Ω，其阻值與環(huán)境溫度呈現(xiàn)近似線性變化。PT100溫度采集電路常用的采集方式主要有兩線制和三線制，由于兩線制引線的電阻會引起溫度測量的誤差，而三線制PT100很好地避免了引線自身電阻對測量誤差的影響，為了避免測量電路導線帶有的電阻給溫度測量帶來的誤差，因此選擇了三線制的鎧裝PT100測量密煉機內(nèi)的各部位溫度。在0℃～850℃范圍內(nèi)，熱敏電阻PT100的阻值滿足下面的函數(shù)關(guān)系［10］：

Rt=R0(1+At+Bt2) （1）式中：Rt為PT100在t℃時的的阻值；R0為PT100在0℃時的阻值。A、B為常系數(shù)，當在電阻溫度系數(shù)TCR=0.003851時，有A=3.9083×10-3，B=-5.775×10-7。

3.2 數(shù)據(jù)的采集

數(shù)據(jù)的采集是溫度測量的重要環(huán)節(jié)，為提高數(shù)據(jù)采集的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度，選擇了TI公司生產(chǎn)的具有24位低噪聲的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1248，其A/D轉(zhuǎn)換速率可達2Ksps，芯片內(nèi)部集成有8組通用I/O口、多路選擇開關(guān)、低溫漂內(nèi)反射、雙匹配電流模數(shù)轉(zhuǎn)換器（DAC）、振蕩器、溫度傳感器、開路檢測及數(shù)字過濾器。其低噪聲可編程放大器（PGA）最大放大倍數(shù)可達128倍，對微弱信號有較好的放大作用。ADS1248自帶的兩個DAC為熱敏電阻提供了穩(wěn)定的工作電流。STM32通過SPI控制接口與ADS1248進行通信，通過配置多路選擇開關(guān)MUX，實現(xiàn)對帶有溫度信息的差分電壓的數(shù)據(jù)采集［5］。如圖7所示，DAC1、DAC2表示ADS1248提供的兩個電流相等的恒流源，恒流源配置成0.1mA。Rxz1、Rxz2、Rxz3表示鉑熱電阻導線自帶的電阻。Rref表示參考電壓取樣電阻，兩端分別在ADS1248芯片的外部與REFN1和REFP1相連。a、b兩點間的電壓為差分電壓u，通過引腳AIN0，AIN1作為信號引入段與ADS1248建立連接［6］。

圖7 基于ADS1248溫度采集電路簡圖

當恒流源DAC電流流過熱敏電阻Rt和導線自帶電阻過程中都會產(chǎn)生壓降，這時會產(chǎn)生通過可編程放大器PGA的差分電壓u，差分電壓u的計算公式如式（2）［10］：

式中：u為輸入PGA的差分電壓；Rt為鉑熱電阻實際值；Rxz1為a端鉑電阻導線電阻；Rxz2為b端鉑電阻導線電阻；i為恒流源電流值。

如圖7所示，兩路恒流電流值i在b點匯聚后在流經(jīng)電源取樣電阻Rref產(chǎn)生壓降。在電阻Rref兩端產(chǎn)生的電壓差值，將作為ADS1248進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓。參考電壓計算公式如式（3）：）

其中：Vref為實際參考電壓；Rref為參考電壓取樣電阻；i為恒流源電流值。

經(jīng)過推導得，PT100在三線制應用中其實測熱電阻值滿足關(guān)系式（4）：

其中：Rrtd為實測熱電阻值；rrtd理論熱電阻值；Rref為實際參考電阻值；rref為理論參考電阻值；（Rxz1-Rxz2）為線阻值差。

通過公式可知，PT100的測溫精度與電阻導線的阻值差和參考電阻的精度有關(guān)。

4 智能化控制方案

密煉機傳統(tǒng)的控制方案通常選擇為PID控制，但是影響密煉機混煉膠溫度的影響因素較多，單獨采用PID控制很難達到理想的效果。為提高控制精度，選擇了模糊自適應PID控制方案。相比傳統(tǒng)的PID控制方案模糊自適應PID控制能夠較高的5，6 ｝，相應的變量模糊子集是［NB負大、NM負中、NS負小、ZO零、PS正小、PM正中、PB正大］，具體規(guī)則庫如表1所示。應速度，較小的誤差，較好的魯棒性能，將一些復雜的，無法用數(shù)學模型來表達的控制方案較好的得到實現(xiàn)［9］。

4.1 控制的實現(xiàn)

控制目標是混煉膠的溫度th，影響因素主要有冷卻水溫度ts、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速r和上頂栓壓力p。根據(jù)混煉膠種類對各項參數(shù)進行預設值，當混煉膠偏差較大時，能夠讓系統(tǒng)有較快的響應速度并以較小的超調(diào)及較好魯棒性完成控制任務。

溫度偏差較大時采用模糊控制，當模糊控制的溫度偏差小于設定的閾值會停止信號的輸出，轉(zhuǎn)而采用PID控制，以減小穩(wěn)態(tài)誤差提高系統(tǒng)的響應速度。當穩(wěn)態(tài)誤差繼續(xù)減小到一定程度，為避免控制過于頻繁，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，此時，根據(jù)PID控制3個環(huán)節(jié)之間的制約關(guān)系，根據(jù)控制工況，單獨采用Kp、Ki、Kd控制系統(tǒng)的溫度［15］。

根據(jù)PID調(diào)節(jié)的基本原則，以誤差e和誤差變化率de/dt作為模糊控制器的2個輸入，經(jīng)過控制器的量化和模糊處理，查閱模糊控制規(guī)則表，輸出模糊控制量Kp、Ki、Kd。經(jīng)過量化因子和解模糊輸出的結(jié)果在與傳統(tǒng)的PID結(jié)合輸出系統(tǒng)的控制量u。將輸入語言變量e、de/dt及輸出語言變量Kp、Ki、Kd的模糊論域集為｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，

圖8 密煉機模糊自適應PID控制流程圖

表1 模糊自適應PID控制規(guī)則表

4.2 軟件設計

圖9 主程序流程圖

密煉機控制選用的STM32作為智能化控制的核心，利用C++語言編寫，具有良好的調(diào)試特性，設計該嵌入式軟件的主要目的是人機交互和實現(xiàn)對模糊自適應PID控制模塊兩部分的監(jiān)控。主程序流程圖如圖9所示。

控制系統(tǒng)上電后，首要是初始化系統(tǒng)，主要工作是設定處理器的主頻、時鐘頻率和AHB總線頻率為72MHz。GPIO端口的初始化配置，設置STM32與ADS1248之間SPI端口之間的通信為普通I/O模式。初始化系統(tǒng)中斷、SPI端口、看門狗等。CPU啟動后，先對MCU與各對應單元之間的接口、線路等進行檢測，不正常的地方將在上位機顯示故障并有報警信息的提示；初始化過程中模糊自適應PID控制模塊將讀取STM32控制器的初始參數(shù)信息，并進行相關(guān)的控制運算，運算的最終結(jié)果將在顯示屏上顯示，控制對象混煉膠的溫度th，影響因素轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速r、轉(zhuǎn)子溫度tr、冷卻水溫度ts和上頂栓壓力p都將在顯示屏上顯示。溫度、壓力等實時狀態(tài)參數(shù)寫入STM32主控制器，在與溫度控制系統(tǒng)的預設參量比較后，系統(tǒng)自動查詢模糊自適應PID控制規(guī)則表并修改控制參數(shù)，在將修改后的控制參數(shù)寫入模糊自適應PID控制模塊進行運算。若鍵盤有新的指令輸入，則參數(shù)信息通過STM32與模糊自適應PID控制模塊之間建立新的運算關(guān)系。若鍵盤沒有輸入，控制狀態(tài)參數(shù)保持不變［12］。

5 實際測溫效果分析

選擇最佳的溫度監(jiān)測點，把PT100溫度傳感器分別放在密煉機的轉(zhuǎn)子、冷卻水和卸料口位置，以單一的制造輪胎用的天然橡膠材料為研究對象。在0℃～300℃的范圍內(nèi)，對PT100和K型熱電偶的測溫性能進行了實驗比較。設置了PID控制算法和模糊自適應PID控制算法兩種控制方法。實驗的目的是確定出最佳的控制方案和溫度傳感器的選型，以實現(xiàn)密煉機的高精度控制。

表2 工作性能指標（實驗）

綜合分析，通過對比法可以總結(jié)出在超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、控制精度三方面，模糊自適應PID控制算法相較于PID控制算法具有更好的控制性能。在模糊自適應PID控制方法下，PT100相較于熱電偶超調(diào)量下降3.84%，調(diào)節(jié)時間下降1.4s，控制精度提高0.38%。在PID控制方法下，PT100相較于熱電偶超調(diào)量下降11.98%，調(diào)節(jié)時間下降2.64s，控制精度提高0.83%。通過分析，在同樣的控制方法下，PT100相較于熱電偶具有更好的控制效果。采用PT100溫度傳感器測溫的情況下，模糊自適應PID控制算法相較于PID控制算法超調(diào)量下降18.24%，調(diào)節(jié)時間下降4.2s，控制精度提高1.83%。模糊自適應PID控制實現(xiàn)良好的密煉機內(nèi)部溫度控制工作得益于PT100高效、精確的溫度采集工作。采用PT100溫度傳感器采集溫度顯著改善了密煉機各部位的測溫精度。利用模糊自適應PID控制相比傳統(tǒng)的PID控制具有更好的性能，有效地實現(xiàn)了混煉過程的有效控制，提高了混煉膠的質(zhì)量。

6 結(jié)語

本文根據(jù)密煉機的實際應用工況，從實際出發(fā)利用三線制熱敏電阻PT100代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱電偶對密煉機的轉(zhuǎn)子、冷卻水、卸料口等關(guān)鍵部位的溫度進行檢測。采集的模擬溫度差分信號經(jīng)過ADS1248芯片進行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字溫度信號傳遞給主控制器STM32。主控制器將溫度采集信息與設置的控制參數(shù)相比較，經(jīng)過模糊自適應PID控制算法，有效地提高了密煉機的混煉溫度控制效率。該密煉機溫度控制方案有效可行，在橡膠機械行業(yè)具有廣闊的應用前景。